از دیگر بخشهای مهم در یک سامانه فتوولتائیکی منابع ذخیره انرژی یا همان باتری ها هستند.

معمولا برای بالا بردن ضریب اطمینان در تامین انرژی انرژی الکتریکی مورد نیاز یک مصرف کننده و همینطور برای تثبیت توان در حالت عدم تولید انرژی  سامانه در یک لحظه خاص،از منابع ذخیره کننده انرژی مثل باتری ها استفاده میشود.

این منابع واسط بین مصرف کننده و تولید کننده انرژی الکتریکی هستند.

که انرژی الکتریکی راگرفته و در صورت عدم مصرف آن رادر خود ذخیره میکنند تا دوباره در هر زمان به سیستم یا بار موجود که به انرژی نیاز داشت آن را به سیستم تحویل دهد.

باتری خورشید یا سلولهای فوتو ولتایی ابزارهایی الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده فتوولتائیک ، نور یا فوتون را مستقیما به جریان و ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند.

دانشمندان اولین باتری خورشیدی را در سال ۱۹۵۴ ، با استفاده از ماده نیمه رسانای سیلیسیم  ، در آزمایشگاههای تلفن بل ساختند.

دانشمندان و مهندسان بلافاصله به ارزش باتری های خورشیدی برای تأمین انرژی ماهواره‌ها پی‌بردند، زیرا این باتری ها جرم کمی دارند و هیچ بخش متحرک مکانیکی ندارند.

نخستین ماهواره آمریکایی در فضا به باتری های خورشیدی از جنس سیلیسیوم مجهز شد و امروزه هم سلول فوتو ولتایی سیلیسیومی هنوز منبع قدرت همه سفینه ‌های فضایی هستند.

باتری ها انرژی الکتریکی را به صورت شیمیایی در خود ذخیره کرده و در هنگام تحویل آن به مدار با طی یک فرایند شیمیایی دوباره به صورت انرژی الکتریکی تبدیل و در خروجی باتری تحویل سیستم میشود.

گاهی از باتری ها به صورت مستقیم برای تامین برق مورد نیاز دستگاه استفاده میشود مثل چراغ قوه ها و رادیو های کوچک و …

در مراتبی هم در جایی که برق سیستم توسط یک منبع خارجی مثل دیزل ژنراتور یا صفحات فتوولتائیک  تامین میشود باتری ها وظیفه پشتیبانی منبع تامین کننده انرژی را برعهده دارند.

به طور مثال به دلیل حرکت تدریجی خورشید و متغیر بودن شدت تابش در طول روز توان تولیدی صفحات فتوولتائیک در طول روز به صورت مستمر تغییر میکند.

در این حالت یک باتری ساده میتواند باعث ایجاد یک توان ثابت در خروجی گردد که میتوان در این حالت همواره در خروجی یک ولتاژ ثابت و بدون تغیر خواهیم داشت.

همچنین باتری ها میتوانند در صورت وقوع یک اتفاق ناخواسته یا هنگام هرگونه قطع اتصال منبع تولیدی انرژی مورد نیاز بار های مصرف کننده را پشتیبانی و تامین کنند.

ازدیگر مزایای استفاده از باتری ها در یک سیستم توانایی باتری ها در تامین جریان راه اندازی مصرف کننده هایی مانند موتور های الکتریکی که جریان راه اندازی بالایی دارند میباشد.

صاعقه گیر آذرخش

ویژگی های اصلی یک باتری :

۱-ولتاژ :

ولتاژ یک سلول باتری توسط مواد به کاربرده شده در آن مشخص میشود.

و میزان آن به ترکیبات شیمیایی موجود در آن وابسته است.

بالا بردن سطح ولتاژ در داخل باتری با سری کردن این سلول ها میسر است.

اما  بایستی توجه شود که بالا بردن سطح ولتاژ در داخل باتری محدودیت داشته و برای دست یابی به یک ولتاژ بالاتر از استاندارد بایستی در خارج از باتری به وسیله سری کردن باتری ها به این سطح از ولتاژ دست یافت.

۲-توان :

به طور اساسی توان یک سلول به میزان بار سلول بستگی دارد و عبارت است از مقدار جریانی که میتوان از هر الکترود در سلول عبور داد.

به همین علت است است که با سری کردن سلول ها تنها ولتاژ کل مجموعه آنها بالا میرود و جریان عبوری از آنها تغییری نمیکند زیرا هر سلول تنها جریان در حد توان خود را میتواند از خود عبور دهد.

۳-زمان شارژ و متقابلا دشارژ :

شارژ در باتری به معنای ذخیره انرژی در باتری و یا به عبارتی تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی میباشد.

و دشارژ در باتری به معنایی تحویل انرژی از باتری و یا به عبارتی تبدیل انرژی شیمیایی در باتری را به انرژی الکتریکی در خروجی  میباشد.

معمولا عمر یک باتری رابه سال بیان میکنند.

اما این محاسبه درستی نیست چرا که بایستی عمر باتری ها را نسبت به تعداد شارژ و دشارژ آنها همچنین شرایط استفاده و نگهداری از آنها را را برای تعیین عمر مفید آنها مد نظر قرار داد.

صاعقه گیر آذرخش

دسته بندی باتری ها :

در سیستم های فتوولتاییک باتری های یک بار مصرف جایگاهی نداشته و تنها از باتری های قابل شارژ در این سیستم ها استفاده می گردد.

در زیر برخی از انواع باتری های قابل شارژ ذکر گردیده:

• Lead-acid battery

• Lithium-ion battery

• Nickel-cadmium battery

• Nickel-iron battery

• Nickel metal hydride battery

• Nickel-zinc battery

• Sodium-ion battery

در اغلب سیستم های خورشیدی به علت پر هزینه بودن دیگر انواع باتری های قابل شارژ، از باتری های سرب اسید استفاده میشود.

تنها در معدود موارد از باتری های نیکل کادمیوم یا انواع دیگر آن برای ذخیره انرژی استفاده میشود که کاربرد های خاص دارند.

صاعقه گیر آذرخش

باتری سرب _ اسیدی

باتری اسیدی یا باتری سربی- اسیدی گونه‌ای از باتری قابل شارژاست که در سال ۱۸۵۹توسط فیزیکدانفرانسوی، گاستون پلانتهاختراع شد.

علارغم ذخیره انرژیکم نسبت به وزنو حجمآن، به دلیل هزینه پایین و عرضه زیاد در وسایل نقلیه موتوری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بطور کلی اختلاف ولتاژ ایجاد شده به کمک یک سلول از الکترودهای مثبت و منفی در باتریهای سرب اسیدی حدود ۲ تا ۲٫۱ ولت است.

لذا ولتاژهای بالاتر مثل ۱۲ ولت از اتصال سری چندین سری از الکترودهای مثبت و منفی تشکیل می‌شود.

قطر صفحات مثبت و منفی نقش اساسی در تعیین ظرفیت باتری بازی می‌کنند.

اغلب برای کاربردهای با ظرفیت معمول همچون باتریهای استارتر خودرو قطر این صفحات کمتر از ۲ میلی متر است.

اما در کاربردهایی با قابلیت شارژ دهی طولانی قطر الکترودها به ۶ میلی متر نیز خواهد رسید.

صاعقه گیر آذرخش

باتری های لیتیوم – یون

یک خانواده از باتری‌های قابل شارژاست که در آن در زمان تخلیه، یون‌های لیتیوماز الکترودمنفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن وارونه حرکت می‌کنند.

باتریهای لیتیم ـ یون بالاترین چگالی انرژی را فراهم می سازند تقریباً دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتریهای نیکل ـ کادمیم آنها به دشارژ کامل نیاز ندارند.

میتوان از جریان بالاتری برای شارژ و دشارژ بدون آسیب به باتری استفاده کرد.

در هنگام دشارژ افت پتانسیلکمی دارند.

به دوره break-in نیاز ندارند و از مسئله حافظه باتری خبر ندارند.

می توانید در هر زمانی یک باتری لیتیم ـ یون را بی آنکه روی کارآیی باتری اثر بگذارد شارژ کنید.

اما چون باتریهای لیتیم ـ یون معمولاً دارای طول عمرشارژ/دشارژ ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه هستند اگر زود به زود و قبل از تخلیه، این باتری را شارژ کنید طول عمر باتری را پایین می آورید .

همچنین در صورت ادامه شارژ پس از پر شدن، باتری آسیب دیده و از عمر آن کاسته میشود .

به همین دلیل برای شارژ انها از مدارهای محافظ هوشمند استفاده میشود تاپس از پر شدن جریان شارژ قطع شود و باتری over charge  نشود.

با آنکه بسیاری از سازندگان باتریهای لیتیم ـ یون طول عمر باتری را تا سه سال ذکر می کنند، بعضی از مصرف کنندگان طول عمر تا ۱۸ ماه را گزارش کرده‌اند .

صاعقه گیر آذرخش

اجزا باتری‌های لیتیوم-یون

به طور کلی هر باتری از ۳ بخش اصلی الکترود مثبت، الکترود منفی و الکترولیت تشکیل شده است.

در باتری‌های لیتیم-یون، الکترود مثبت یا کاتد از یک ترکیب لیتیم مانند لیتیم کبالت اکسید و الکترود منفی یا آند از کربن ساخته شده و یک لایه جدا کننده در بین آن‌ها قرار دارد.

نمایی از یک پیل باتری لیتیمی در شکل ۲ نمایش داده شده است.

الکترولیت در باتری های لیتیمی نیز از نمک لیتیم دریک حلال آلی ساخته شده است.

استفاده از حلال آلی در نقش الکترولیت به دلیل اشتعال زا بودن نیازمند انجام پاره ای از اقدامات ایمنی است.

اقدامات ایمنی و همچنین موارد دیگری که برای بهبود عملکرد باتری های لیتیمی به کار گرفته می شوند، مهندسی ساختار الکترولیت را‌ بسیار پیچیده می نماید.

الکترولیت در این باتری ها از مجموعه ای از مواد تشکیل شده که هر کدام وظیفه خاص خود را دارند.

نقص در عملکرد هر یک از اجزای الکترولیت باعث نقص در عملکرد کل باتری می‌شود.

علاوه بر موارد بالا، باتری‌های لیتیمی مجهز به مدارهای الکترونیکی محافظ و فیوزهای جهت جلوگیری از عکس شدن قطبیت، اعمال ولتاژ بیش از حد، گرم شدن بیش از حد و موارد ایمنی دیگر هستند.

صاعقه گیر آذرخش

نمای شماتیک از یک سل باتری لیتیم یون

ولتاژ خروجی یک باتری به طور مستقیم با ماهیت شیمیایی واکنش الکتروشیمیایی پیل در ارتباط است.

به عنوان مثال در باتری‌های سرب-اسید، واکنش شیمیایی هر پیل ۲ ولت جریان را تولید می‌نماید.

در باتری‌های لیتیمی واکنش الکتروشیمیایی صورت گرفته ولتاژ تقریبی ۳ ولت را تولید می نماید که تولید این ولتاژ یکی از ویژگی‌های مهم این نوع باتری‌ها است.

بنابراین با بهره گیری از واکنش های لیتیمی می‌توان با به کارگیری تعداد پیل کمتر به ولتاژ بالاتر دست یافت.

صاعقه گیر آذرخش

باتری های نیکل – کادمیم

گونه‌ای از باتری‌های قابل شارژهستند که در آن از نیکل (III) اکسیدو کادمیمبه صورت فلزبه عنوان الکتروداستفاده شده است.

این نوع از باتری‌ها نخستین بار توسط مهندس سوئدی والدمار جانگنردر سال ۱۸۹۹ میلادی اختراع گردید.

مصرف عمده این نوع از باتری‌ها در لوازم الکترونیکی چون گوشی‌های تلفن قابل حمل است.

صاعقه گیر آذرخش

باتری سیستم های خورشیدی :

باتری مورداستفاده در سیستم های خورشیدی به علت استفاده مداوم هر روزی از آنها در درجه اول باید دارای طول عمر بالا باشند.

به طور کل طول عمر یک باتری بر حسب تعداد سیکل شارژ و دشارژ و میزان سطح دشارژ باتری بیان میشود.

به عنوان مثال در نمودار زیر طول عمر یک باتری AGM در سطح دشارژ ۴۰ درصد در حدود ۱۵۰۰ سیکل بیان میشود.

در سیستم های خورشیدی باتری ها در طول روز توسط پنل شارژ و در طول شب توسط مصرف کننده دشارژ میشوند.

لذا هر شبانه روز یک سیکل شارژ و دشارژ برای باتری محسوب میشود.

در نتیجه طول عمر باتری مذکور برابر ۱۵۰۰ روز که در حدود ۴ سال خواهد بود .

در طراحی یک سیستم خورشیدی سطح دشارژ باتری توسط طراح باید به گونه ای در نظر گرفته شود که طول عمر باتری بسیار کوتاه نباشد.

همان طور که در تصویر زیر مشاهده میشود در صورتی که باتری تا سطح ۸۰ درصد دشارژ شود تنها قادر به تامین ۵۰۰ سیکل خواهد بود و این به معنای تنها یکسال و نیم  طول عمر مفید برای باتری است.

نمودار طول عمر باتریAGM  بر حسب سطح دشارژ آن-مربوط به باتری سیستم خورشیدی

ویژگی مهم دیگر باتری های سیستم های خورشیدی قابلیت دشارژ تا ظرفیت نامی آنها میباشد.

باتری های خودرو در صورتی که تنها چند بار به طور کامل دشارژ شوند طول عمر آنها بسیار کاهش می یابد و مستهلک خواهند شد.

در سیستم های خورشیدی پس از روزهای ابری باتری ممکن است تا عمق ۸۰ درصد دشارژ شود و باتری باید قابلیت تامین بار را در این شرایط داشته باشد.

صاعقه گیر آذرخش

مقایسه انواع باتری ها :

باتری مورد استفاده در دستگاه های UPS،  تعداد سیکل عمر باتری در سطح دشارژ ۴۰ درصد در حدود ۷۰۰ سیکل است که نسبت به باتری سیستمهای خورشیدی این میزان نصف گردیده.

در باتری مخصوص سیستم خورشیدی تعداد سیکل در سطح دشارژ ۴۰ درصد برابر ۱۵۰۰ سیکل است.

متاسفانه در اکثر مواقع باتری های مورد استفاده در سیستم های خورشیدی از نوع UPS بوده و طول عمر آنها تنها یک تا دو سال خواهد بود .

از آنجا که هزینه باتری سهم به سزایی در یک سیستم خورشیدی دارد (در حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد هزینه کل سیستم ) انتخاب باتری مناسب از اهمیت بالایی برخوردار است .

صاعقه گیر آذرخش

باتری مناسب برای سیستم های خورشیدی :

از بین باتری های سرب اسید خشک دو نوع باتری برای سیستم های خورشیدی مناسب میباشند :

۱-  باتری سرب اسید خشک از نوع AGM که مخصوص سیستم خورشیدی طراحی شده باشد.

این نوع باتری تنها از روی کاتالوگ و مدل نوشته شده  بر روی بدنه آن قابل تفکیک است.

از نظر ظاهری تفاوتی بین باتری مخصوص خورشیدی و UPS وجود ندارد و تنها از روی کاتالوگ آن قابل تفکیک میباشد.

در صورتی که در کاتالوگ باتری هیچ نموداری در مورد طول عمر آن ذکر نشده باشد این باتری از نوع UPS  میباشد.

۲- باتری سرب اسید خشک از نوع: GEL  باتری های GEL نسبت به AGM تحمل دمایی بالاتری دارند به دین معنی که در شرایط محیطی گرم طول عمر بالاتری نسبت به باتری AGM دارند .

همچنین باتری های GEL تعداد سیکل شارژ دشارژ بیشتری نسبت به باتری های AGM در شرایط یکسان دارند .

در زیر نمودار طول عمر یک باتری GEL آورده شده است.

در سیستم های خورشیدی پس از روزهای ابری باتری ممکن است تا عمق ۸۰ درصد دشارژ شودو باتری باید قابلیت تامین بار را در این شرایط داشته باشد .

منبع:i-emertat.ir